Postanowiłem dziś zaprezentować pracę magisterską, jaką dziś obroniłem na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym w Bydgoszczy (dawniej ATR). Jest to rozwinięcie pracy inżynierskiej, jaką prezentowałem w temacie: Link.
Poprzednie urządzenie oparte było o głowicę TV. Nie inaczej jest tym razem. Rozwój polegał na poszerzeniu zakresu pomiarowego, napisaniu lepszego oprogramowania dla PC i mikrokontrolera. Głowica TV pracuje, jak wiadomo w zakresie ok. 45-860MHz. Postawiłem sobie zadanie dostosowania urządzenia do pracy w zakresie 45-2000MHz. W tym celu dołączyłem dodatkowo głowicę z tunera satelitarnego. Pracuje ona w zakresie ok. 950-2050MHz. Uzyskałem zatem dwa nie pokrywające się zakresy pomiarowe. Praktycznie obie głowice pracują w o wiele szerszym zakresie, jednak pokrycia i tak nie ma.
Zobaczmy zatem realizację fizyczną urządzenia. Myślę, że to kogoś zainteresuje. Poniżej znajduje się schemat blokowy urządzenia.
Jak widać urządzenie stanowi potrójną/podwójną superheterodynę. Zastosowana głowica SAT firmy Samsung nie posiada pętli PLL wewnątrz. Obecny był jedynie preskaler MB506. Oryginalnie dzielił on sygnał przez 128, zmieniłem to jednak na 64. Jako zewnętrzna pętla PLL zastosowany jest układ TSA5512 (dokładnie taki sam układ występuje w głowicy TV typu UV916). Ponadto odłączyłem dyskryminator (układ CXA1165), który tu występował. Sygnał p.cz. z przed CXA1165 wyprowadziłem na zewnątrz głowicy poprzez wywiercony otwór. Wzmocnienie obu głowic i co za tym idzie wzmocnienie całego układu regulowane jest w prymitywny sposób za pośrednictwem wyprowadzeń ARW. Również i tym razem odpuściłem sobie zastosowanie układów korekcji poprzez ARW. Po głowicy SAT i TV mam filtry p.cz. Do wyjścia głowicy SAT dołączyłem filtr liniowy (elementy o stałych rozłożonych). Są to trzy rezonatory, skrócone pojemnościami. Sprzężenie ze źródłem i obciążeniem wykonuję w oparciu o pętle indukcyjne. Przez to mam niesymetryczne zbocza. Filtr dołączony do głowicy TV to już zwykły filtr skupiony, obecnie już 4-obwodowy. Sprzężenie pomiędzy ogniwami jest pojemnościowe. Oba filtry wykonałem jako filtry Czebyszewa. Druga przemiana częstotliwości dla obu głowic i przełączanie pomiędzy zakresami wykonane jest w oparciu o układ TDA5630. Nie jest to idealne rozwiązanie, ze względu na duże wzmocnienie TDA5630, jednak z pewnością proste. TDA5630 realizuje zatem następujące przemiany częstotliwości 38,9MHz/10,7MHz (dla głowicy TV) i 476,62MHz/10,7MHz (dla głowicy SAT). Dzięki takiemu rozwiązaniu mam jeden sygnał p.cz. dla obu zakresów pomiarowych. Na wyjściu TDA5630 znajduje się już filtr ceramiczny. Po nim zaś znajdują się trzy niezależne tory. Pierwszy z nich to jedynie detektor synchroniczny na nietypowo zastosowanym, telewizyjnym TDA2541 (mamy tu tor szerokopasmowy - pasmo 300KHz). Drugi zaś to trzecia przemiana częstotliwości 10,7MHz/455KHz (NE612) i identyczny detektor synchroniczny (mamy tu tor wąskopasmowy - pasmo 15KHz). Ostatni z nich stanowi dyskryminator (TDA1047) i tor m.cz. Jest to zwykły nasłuch FM.
Całością steruje Atmega16 poprzez I2C. Odczyt w osi Y wykonywany jest liniowo, lub logarytmicznie (większa dynamika). Logarytmowanie odbywa się programowo, za pomocą prostej tablicy. Przygotowane odpowiednio sygnały z detektorów synchronicznych są przetwarzane za pomocą przetwornika A/C Atmegi i prezentowane w postaci widma amplitudowego na wyświetlaczu graficznym LCD z kontrolerem T6963C. Program dla Atmegi napisałem w drętwym i nudnym C, czyli AVR-GCC. Komunikacja z PC poprzez RS232, pozwala na zrzuty ekranów wyświetlacz do pliku BMP. Nie starczyło mi niestety wyprowadzeń na kontrolę przepływu, więc wymyśliłem prosty protokół typu "zapytanie-odpowiedź".
Poniżej prezentuję schematy ideowy częsci analogowej:
Na uwagę zasługuje tu wykonanie pętli PLL dla przemiany po głowicy SAT. Zastosowałem tu pętlę z premixerem. Sygnał z wyjścia heterodyny układu TDA5630 jest poddawany przemianie częstotliwości na 32MHz. Heterodyna jest tu wykonana na rezonatorze SAW - 433,92MHz. Przełączanie zakresów pomiarowych jest tu wykonane za pomocą zwierania dzielnika napięciowego przez pin BS układu TSA6057.
Poniżej moduł cyfrowy, niezbyt zaskakujący:
Warto teraz przedstawić uzyskane parametry i cechy urządzenia:
-Zakresy częstotliwości wejściowych: 45 – 860MHz; 950 – 2000MHz
-Szerokość pasma toru pomiarowego: 15KHz; 300KHz
-Krok strojenia: 1,25KHz; 12,5KHz; 62,5KHz; 250KHz; 4MHz; 8MHz
-Maksymalna szerokość widma wyświetlana na ekranie: 1048MHz
-Czułość: ok.15µV
-Napięcie zasilania: ~230V 50Hz
-Pobór mocy: ≤30W
-Impedancja wejściowa: 75Ω
-Sterowanie przyrządu: impulsator i klawiatura
-Współpraca z komputerem PC: interfejs RS232C
-Szybkość przemiatania: ok. 50 pomiarów na sekundę (nie mierzyłem tego)
-Prezentacja wyników pomiarów: graficzny wyświetlacz LCD
-Rozdzielczość pola odczytowego wyświetlacza LCD: 240x128 pikseli
Tym razem wykonałem też pomiary błędów tego przyrządu. Błąd bezwzględny określiłem jako:
∆f=f-f0
,gdzie f – wartość zmierzona; f0 – wartość przejęta za rzeczywistą – odczytana z miernika częstotliwości.
Obliczyłem też błędy względne, jako:
δ=|∆f|/f0 * 100%
Błędy pomiarowe dla zakresu 45-860MHz:
• f = 45,13MHz; f0 = 45,12324MHz → Δf = 6,76KHz
• δ ≈ 0,015%
• f = 837,08375MHz; f0 = 837,0768MHz → Δf = 6,95KHz
• δ ≈ 8,302 · 10-4%
Błędy pomiarowe dla zakresu 900-200MHz:
• f = 947,355MHz; f0 = 947,5277MHz → Δf = -172,7KHz
• δ ≈ 0,018%
• f = 1507,38125MHz; f0 = 1507,5335MHz → Δf = -152,25KHz
• δ ≈ 0,01%
Korzystałem tu z mojego radzieckiego generator G-4-116. Jego zakres to 4-300MHz. Ponadto mój fabryczny miernik częstotliwości pracuje jedynie do 200MHz. Musiałem tu zatem wykorzystywać częstotliwości harmoniczne.
Poniżej zdjęcia urządzenia (zdjęcie wstępne przedstawia panel przedni z widocznym menu głównym):
Wygląd wnętrza urządzenia:
Widok z tyłu:
Wnętrze omawianego wcześniej filtru liniowego:
Widok z boku:
Na koniec pozostaje mi przedstawić wykonane pomiary:
Widmo sygnału z modulacją FM. Od lewej: nastawy poszczególnych parametrów (przyrząd przestraja się od fmin do fmax z zadanym krokiem), bez modulacji, widmo dla Δf=3KHz, widmo dla Δf=10KHz.
Powyższe rysunki uzyskałem dzięki przesyłaniu zrzutów z ekranu LCD do PC i zapis do BMP. Możliwe jest wykonanie takiego "print screen" w dowolnym momencie.
Widmo sygnału z modulacją AM. Od lewej nastawy, potem widmo. Częstotliwość sygnału modulującego 24KHz. Nośna 204,99375MHz; górna wstęga 205,015MHz; dolna wstęga 204,96625MHz. m=70%
Widmo sygnału z modulacją AM. Od lewej nastawy, potem widmo. Częstotliwość sygnału modulującego 1MHz. Nośna 266,55MHz; górna wstęga 267,4855MHz; dolna wstęga 265,4875MHz. m=50%
Dociekliwi mogą sobie obliczyć odległości nośnej od wstęg i sprawdzić, czy się to zgadza.
Widmo sygnału stacji telewizyjnej TVP INFO z nadajnika w Trzeciewcu (kanał K28). Od lewej – parametry analizy; widmo w skali logarytmicznej; widmo w skali liniowej.
Oba widma wykonałem z identycznym wzmocnieniem przyrządu. Widać tu zaletę skali logarytmicznej. Możliwa jest lepsza identyfikacja składowych o niskich amplitudach. O wiele wyraźniej widać podnośną chrominancji.
Dla odmiany widmo sygnału stacji telewizyjnej DVB-T z nadajnika w Trzeciewcu. Od lewej: parametry analizy; widmo.
Widoczne śmieci po lewej stronie widma to stacja telewizji analogowej, odbierana na częstotliwości lustrzanej - na 100% sprawdzone. Stacja, która robi tu problem znajduje się na kanale K41. Jej fonia, odebrana przez mój analizator to 557,7875MHz. Częstotliwość fonii dla K41 wynosi 637,75MHz. Dociekliwi mogą sprawdzić, czy to się zgadza. Przypominam, że p.cz. to 38,9MHz.
Jesteśmy dalej w pomiarach "telewizyjnych". Widmo sygnału z generatora telewizyjnych obrazów kontrolnych: Od lewej: parametry analizy; obrazy kontrolne pokazywane przez Velę 203; dalej odpowiadające im widma.
Widać tu wyraźnie modulację dwuwstęgową, brak fonii i chrominancji.
Widmo sygnału z modulacją CPFSK. Od lewej parametry analizy; widmo.
Jest to FSK z ciągłą fazą. Zaimprowizowałem je bardzo łatwo, poprzez dołączenie sygnału prostokątnego 1MHz do wejścia modulacji FM w moim generatorze G-4-116. Uzyskałem modulację z przepływnością symbolową, równą bitowej i wynoszącą 2Mb/s. Widmo jest oczywiście prążkowe, bo sygnał modulujący jest deterministyczny. Cały zaś sygnał analizowany jest prawie okresowy, ale to nie ma tu znaczenia.
Widmo fragmentu pasma UKF w Grudziądzu. Dla odmiany widmo wykonałem w skali liniowej. Od lewej nastawy, potem widmo.
Na koniec pomiar wykonany na zakresie 900-2000MHz. Od lewej nastawy, potem widmo.
Dlaczego tak mało pomiarów w dorobionym zakresie ? Wynika to z kiepskiej pracy pętli PLL z premixerem. NE612 przy takich częstotliwościach pracuje słabo. Do tego sygnał na wyjściu TDA5630 ma małą amplitudę, ponieważ zastosowałem tu sekcję B tego układu (powinienem C). Jeszcze płytka dla TDA5630 jest kiepsko zaprojektowana. Wszystko to powoduje, że zbyt duże sygnały wejściowe potrafią wprowadzić pętlę poza zakres chwytania. Bez ingerencji samo to nie chwyci.
Najwięcej pracy miałem z programem i wspomnianą niesforną pętlą PLL. Może kiedyś to jeszcze rozwinę, ale raczej nie starczy mi już motywacji. Zestrojenie całości urządzenia i wszystkich filtrów przyszło mi dużo łatwiej, niż poprzednio.
Zachęcam do komentowania. Odpowiem na wszelkie pytania. Montaż jest mało estetyczny, ale chyba lepszy, niż poprzednio. Udostępniłbym soft i treść całej pracy, ale ze względu na prawa uczelni nie mogę tego zrobić. Cały opis wyszedł bardzo długi. Mam nadzieję, że komuś będzie się to chciało przeczytać.
[edit]
Przygotowałem soft. W załączniku znajduje się skompilowany soft dla AVR (tylko *.hex) i program dla PC, napisany w Delphi 7.0 Enterprise (dla RS232 zastosowałem popularny komponent ComPort). Obsługa przyrządu jest raczej domyślna. W przypadku konieczności przesłania obrazu do PC trzeba wcześniej uruchomić aplikację na PC i wybrać port. Potem należy się połączyć z wybranym portem (kliknąć "Połącz"). Ostatni etap to wciśnięcie przycisku "wyślij" na analizatorze - K4 na schemacie. Spowoduje to przygotowanie obrazu w pamięci LCD i przesłanie go do PC. Pasek postępu będzie wskazywał postęp przesyłania. Całość zajmie jakąś minutę - nie ma opcji by skrócić ten czas. To dziwne coś zwane "Fuse bitami" ustawiamy domyślnie. Jedyne co należy przestawić to przełączyć AVR na taktowanie zewnętrznym kwarcem o dużej częstotliwości. Czas "start-up" ustawiłem na jakieś 64ms, ale to nie ma większego znaczenia.
Cool? Ranking DIY
Zwlaszcza ze wglad do prac (juz obronionych) jest za zwyczaj bez wiekszych problemow - ot za zwyczaj wypelnienie wniosku i tyle... Co innego to prawa autorskie itd.
Jak znajdzie czas to pewnie zrobi porządne PCB. Zawsze można zamówić w zewnętrznej firmie. Natomiast zaprojektować taki układ? To już trzeba samemu się postarać i na tej kwestii powinniśmy się skupić. Póki co nie martw się pająkiem i udoskonalaj urządzenie/program póki masz 